DE10022728B4

DE10022728B4 - Individuelle Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10022728B4
Application number: DE10022728A
Authority: DE
Inventors: Willy Gerd Fischer; Oliver Kunze
Original assignee: ZF Luftfahrttechnik GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Technik GmbH
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: DE10022728A1

Abstract

Individuelle Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung für einen Hubschrauberhauptrotor mit einem von einem Hauptgetriebe drehantreibbaren Rotormast (2), mit mehreren gleichmäßig am Umfang einer Rotornabe (4) angeordneten Rotorblättern (6), mit einer aus einem nichtdrehenden Teil (16) und einem bei Betrieb drehenden Teil (20) bestehenden Taumelscheibe zur kollektiven und sinusförmigen, zyklischen Rotorblattverstellung, die gegenüber dem Rotormast (2) kippbar und axial verschiebbar gelagert ist, und die von am nichtdrehenden Teil (16) angelenkten Steuerstangen (18) betätigbar ist, und mit einem dem drehenden Teil (20) der Taumelscheibe zugeordneten Abtastelement (24) für jedes Rotorblatt, welches bei einer Drehung des Rotors eine Kontur einer dem nichtdrehenden Teil (16) der Taumelscheibe zugeordneten, um die Rotorachse verlaufenden geschlossenen Kurvenbahn abtastet und dabei eine Hubbewegung ausführt, welche durch einen am drehenden Teil der Taumelscheibe angelenkten Überlagerungshebel (28) einer Steuerbewegung der Taumelscheibe überlagert wird und in eine Einstellwinkelbewegung des Rotorblatts (6) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Rotormast umschließender, hohlzylinderartiger Kurventräger (42) dem nichtdrehenden...

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung für einen Hubschrauber-Hauptrotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Übliche Steuerungsvorrichtungen für Hubschrauber-Hauptrotoren weisen eine Taumelscheibe zur Übertragung von Steuerbewegungen des Piloten vom nichtdrehenden System der Hubschrauber-Zelle in das während des Betriebs drehende System des Hauptrotors auf. Die Taumelscheibe ist gegenüber dem Rotormast zur sinusförmigen, monozyklischen Rotorblatt-Verstellung nach allen Seiten kippbar und zur kollektiven Rotorblatt-Verstellung axial verschiebbar gelagert. Die Taumelscheibe wird von mehreren, unterhalb der Taumelscheibe angeordneten, Stellgliedern bzw. Steuerstangen betätigt.
Ein niedrigeres Vibrationsniveau, bessere Flugleistungen und eine geringere Geräuschemission können erzielt werden, indem der kollektiven und sinusförmigen, monozyklischen Einstellwinkel-Verstellung weitere Einstellwinkel-Änderungen überlagert werden, um beispielsweise rotorblatt-induzierten Schwingungen entgegenzuwirken.

Aus der DE 196 27 869 A1 ist eine Steuerungsvorrichtung bekannt, die neben den unterhalb der Taumelscheibe angeordneten Stellgliedern, welche dem nichtdrehenden System zugeordnet sind, weitere hydraulische Stellglieder im drehenden System zur Überlagerung von individuellen Einstellwinkel-Änderungen umfaßt. Die Energieversorgung der im drehenden System angeordneten Aktuatoren ist sehr aufwendig. Bei der Versorgung der hydraulischen Stellglieder, deren Versorgungseinrichtung im nichtdrehenden System der Hubschrauberzelle angeordnet ist, treten erhebliche Leistungsverluste allein an den notwendigen Leitungen und Drehdurchführungen auf. Sollen hochfrequente Stellbewegungen von der Versorgungseinrichtung über die hydraulischen Leitungen und Drehdurchführungen auf die Rotorblätter übertragen werden, so wird eine schwere und große Versorgungseinrichtung mit einer sehr hohen installierten, hydraulischen Leistung benötigt, obwohl die Leistung, die eigentlich zur Verstellung der Rotorblätter benötigt wird, sehr viel kleiner ist.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 89 09 165.5 ist eine Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung mit individuell auf die Rotorblätter wirkenden, hydraulischen Stellgliedern bekannt, bei der eine Vielzahl von Steuerkurven, welche im drehenden System des Hauptrotors angeordnet sind, von einer verkoppelten Verdrängungskörperanordnung gleichzeitig abgetastet wird. Diese bekannte hydraulische Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung ist jedoch relativ aufwendig und weist eine Vielzahl von Komponenten auf.

Die US 3,031,017 zeigt eine gattungsgemäße Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung, mit der der kollektiven und sinusförmigen, zyklischen Rotorblatt-Verstellung eine weitere zyklische Einstellwinkel-Bewegung überlagert wird.

Hierzu ist jedem Rotorblatt ein mit dem drehenden Teil der Taumelscheibe umlaufendes Abtastelement zugeordnet, welches bei einer Drehung des Rotors eine Kontur einer Kurvenbahn abtastet, die im nichtdrehenden Teil der Taumelscheibe eingearbeitet ist. Die Hubbewegung des Abtastelements wird der Steuerbewegung der Taumelscheibe durch einen Mischhebel überlagert. Es wird bei jedem Umlauf dieselbe Kontur abgetastet.

Im Gegensatz zu Rotorblatt-Steuerungsvorrichtungen, deren Aktuatoren im drehenden System angeordnet sind und während eines Umlaufs relativ hochfrequente Steuerbewegungen ausführen, sind bei dieser Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung keine Aktuatoren im drehenden System notwendig, da die Hubbewegung durch einfaches Abtasten der Kontur der Kurvenbahn erzeugt wird. Es werden keine aufwendigen Drehdurchführungen für die Leistungsversorgung und Ansteuerung der Aktuatoren im drehenden System benötigt. Der Leistungsbedarf der Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung ist wesentlich geringer. Die Überlagerung der Bewegungen der Taumelscheibe, die als Primär-Steuermittel dient, und der Abtastelemente mittels eines Überlagerungshebels bietet einige Vorteile. So kann über ein entsprechend gewähltes Hebelverhältnis eine Übersetzung des Stellwegs bzw. der Stellkraft erzielt werden.

Bei dieser Steuerungsvorrichtung ist jedoch nachteilig, dass nur ein bestimmter Flugzustand optimiert werden kann, da die überlagerte Einstellwinkel-Bewegung unabhängig vom Flugzustand immer dieselbe ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung so weiterzubilden, dass die Einstellwinkel-Bewegung für verschiedene Flugzustände mit geringem Aufwand und geringem Leistungsbedarf optimierbar ist. Sie soll ferner einen geringen Bauraum einnehmen und ein geringes Gewicht aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche gegeben.

Erfindungsgemäß ist also ein den Rotormast umschließender, hohlzylinderartiger Kurventräger dem nichtdrehenden Teil der Taumelscheibe zugeordnet. Dieser weist mehrere Kurvenbahnen unterschiedlicher Kontur in axial beabstandeten Bereichen an der Außenmantelfläche auf. Auswahlmittel ermöglichen eine wahlweise Zuordnung von jeweils einer Kurvenbahn zu dem Abtastelement, so dass der primären Steuerbewegung – also der kollektiven und der sinusförmigen zyklischen Steuerbewegung – für verschiedene Flugzustände verschiedene sekundäre Steuerbewegungen überlagert werden können. Je nach Anzahl der auswählbaren Kurvenbahnen sind dadurch mit einfachen Mitteln einige der häufigst geflogenen Flugzustände optimierbar. Dabei werden nicht für jedes Rotorblatt individuelle Stellglieder benötigt, sondern le diglich ein einfach aufgebautes, individuelles Abtastelement. Daraus ergibt sich ein geringer Leistungsbedarf und eine einfache Ansteuerung. Es besteht die Möglichkeit, die Auswahlmittel im nichtdrehenden System anzuordnen, so dass zur Ansteuerung keine Drehdurchführungen benötigt werden. Die Auswahlmittel selbst brauchen dabei keinen sehr hohen Anforderungen an die Dynamik zu genügen, auch wenn am Rotorblatt hochfrequente Einstellwinkel-Bewegungen eingesteuert werden.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei
1 schematisch einen Längs-Schnitt durch eine erfindungsgemäße Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung,
2 einen Längs-Schnitt durch einen Kurventräger und
3 eine Draufsicht auf einen Kurventräger zeigen.
In 1 ist mit 2 ein von einem nicht dargestellten Hauptgetriebe drehantreibbarer Rotormast 2 bezeichnet, der eine Rotornabe 4 aufweist, an deren Umfang mehrere Rotorblätter 6, von denen eines gezeigt ist, gleichmäßig angeordnet sind. Der Einstellwinkel jedes Rotorblatts 6 um seine Längsachse ist mittels einer Steuerstange 8, die auf einen Hebel 10 des gelenkig an der Rotornabe 4 befestigten Rotorblatts 6 wirkt, verstellbar. Zur Übertragung von Steuerbewegungen aus dem nichtdrehenden System der Hubschrauber-Zelle ins drehende System des Hubschrauber-Rotors ist eine Taumelscheibe vorge sehen, die mittels eines Lagers 14 axial verschiebbar und kippbar am Rotormast 2 gelagert ist. Sie besteht aus einem nichtdrehenden Teil 16, an dem mehrere Steuerstangen 18, von denen eine gezeigt ist, angelenkt sind und einem mit dem Rotormast 2 drehbaren Teil 20. Zwischen dem drehenden Teil der Taumelscheibe 20 und dem nichtdrehenden Teil der Taumelscheibe 16 sind Lager 22 vorgesehen. Zur kollektiven und monozyklischen Rotorblatt-Verstellung wird die Taumelscheibe durch die angelenkten Steuerstangen 18 axial entlang dem Rotormast 2 nach oben oder unten bewegt oder gekippt. Jedem Rotorblatt 6 ist ein im drehenden System angeordnetes Abtastelement 24 zugeordnet, welches bei einer Drehung des Rotormasts 2 eine Kontur einer im nichtdrehenden System um die Rotorachse verlaufenden geschlossenen Kurvenbahn 42A, 42B, 42C abtastet. Das Abtastelement 24 führt dabei eine Hubbewegung aus, welche durch einen Überlagerungshebel 28 auf die Steuerstange 8 übertragen und in eine Einstellwinkelbewegung des Rotorblatts 6 umgeformt wird.
Das Abtastelement 24 besteht aus einer Stange, die an einem Ende einen Abtastkopf aufweist und die mit dem anderen Ende an den Umlenkhebel 28 angelenkt ist. Der Umlenkhebel 28 ist um eine in tangentialer Richtung zur Taumelscheibe ausgerichtete Drehachse 30 schwenkbar am drehenden Teil 20 der Taumelscheibe 12 angelenkt. Die Steuerstange 8, die an einem dritten Anlenkpunkt 32 an dem Umlenkhebel 28 angelenkt ist, erfährt eine Steuerbewegung, welche durch Überlagerung der primären Steuerbewegung der Taumelscheibe mit der sekundären Steuerbewegung jedes Abtastele ments 24 entsteht. Das Abtastelement 24 ist durch eine Feder 34 gegen die Kontur der Kurvenbahn 42A, 42B, 42C vorgespannt, so dass es in ständigem, gleitenden Kontakt mit der Kurvenbahn 26 ist. Die Oberfläche der Kurvenbahn 26 weist radial nach außen, so dass die Hubbewegung des Abtastelements 24 in radialer Richtung erfolgt. Hierdurch wird eine bauraumgünstige Gesamtanordnung erzielt.
Erfindungsgemäß ist dem nichtdrehenden Teil 16 der Taumelscheibe ein hohlzylinderartiger Kurventräger 42, der den Rotormast umschließt, zugeordnet. An seiner Außenmantelfläche weist der Kurventräger 42 in axial beabstandeten Bereichen mehrere Kurvenbahnen 42A, 42B, 42C unterschiedlicher, jedoch jeweils fester Kontur auf. Der Kurventräger 42 ist axial entlang seiner Zylinderachse verschiebbar, so dass dem Abtastelement 24, je nach Flugzustand, eine der Kurvenbahnen 42A, 42B, 42C zugeordnet werden kann. Die verschiedenen Konturen der Kurvenbahnen 42A, 42B, 42C sind in 3 beispielhaft und stark überhöht dargestellt. Als Verstellmittel für die axiale Verschiebung des Kurventrägers 42 ist ein durch einen Aktuator drehbarer Verstellring 44 mit einem Stift 46 vorgesehen. Der Stift 46 greift dabei sowohl in eine zylindrische Nut 48 im nichtdrehenden Teil 16 der Taumelscheibe als auch in eine spiralförmig ansteigende Nut 50 im Kurventräger ein.
Ein weiterer Freiheitsgrad wird dadurch eröffnet, dass Verstellmittel 52, 54 für die Verdrehung des Kurventrägers 42 relativ zum nichtdrehenden Teil 16 der Taumelscheibe um seine Zylinderachse vorhanden sind. Hierdurch können die Hubbewegungen der Abtastelemente den Steuerbewegungen der Taumelscheibe in unterschiedlichen Phasen überlagert werden. Die Verstellmittel für die Verdrehung des Kurventrägers 42 können ein drehantreibbares Schneckenrad 52 umfassen, welches am nichtdrehenden Teil 16 der Taumelscheibe gelagert ist und das in eine Innenverzahnung 54 des Kurventrägers 42 eingreift. Die gezeigten Ausgestaltungen der Verstellmittel sind beispielhaft. In Kenntnis der Erfindung wird der Fachmann auch andere Verstellmittel, z. B. elektrischer oder hydraulischer Art, vorsehen.
Für einen bestimmten Hubschraubertyp werden durch den Kurventräger 42 eine begrenzte Anzahl von Steuermustern vorgegeben, die für die häufigst geflogenen Flugzustände optimierbar sind. Der Wechsel zwischen zwei benachbarten Kurvenbahnen wird erleichtert, wenn die Konturen der Kurvenbahnen 42A, 42B, 42C an der Außenmantelfläche des Kurventrägers 42 fließend ineinander übergehen. Wenn im Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Kurvenbahnen eine kreisringförmige Kurvenbahn angeordnet ist, so ist es möglich, aus jedem Zustand heraus schnell wieder in eine neutrale Position zu kommen, in der lediglich kollektive und sinusförmige, zyklische Einstellwinkel-Bewegungen eingesteuert werden.
Anstelle des gezeigten Abtastelements 24, das einen auf der Kurvenbahn gleitenden Abtastkopf aufweist, kann auch ein Abtastelement mit einem auf der Kurvenbahn wälzenden, drehbaren Wälzkörper vorgesehen sein. Ein solcher, beispielsweise als Rolle ausgebildeter, Wälzkörper verringert die Reibung zwischen Kurventräger und Abstastelement 24 und dient damit zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades.

2: Rotormast
4: Rotornabe
6: Rotorblatt
8: Steuerstange
10: Hebel
14: Lager
16: nichtdrehender Teil der Taumelscheibe
18: Steuerstange
20: drehender Teil der Taumelscheibe
22: Lager
24: Abtastelement
28: Hebel
30: Achse
32: Anlenkpunkt
34: Feder
42: Kurventräger
42A, 42B, 42C: Kurvenbahnen
44: Verstellring
46: Stift
48: Nut
50: Nut
52: Schneckenrad
54: Innenverzahnung

Claims

Individuelle Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung für einen Hubschrauberhauptrotor mit einem von einem Hauptgetriebe drehantreibbaren Rotormast (2), mit mehreren gleichmäßig am Umfang einer Rotornabe (4) angeordneten Rotorblättern (6), mit einer aus einem nichtdrehenden Teil (16) und einem bei Betrieb drehenden Teil (20) bestehenden Taumelscheibe zur kollektiven und sinusförmigen, zyklischen Rotorblattverstellung, die gegenüber dem Rotormast (2) kippbar und axial verschiebbar gelagert ist, und die von am nichtdrehenden Teil (16) angelenkten Steuerstangen (18) betätigbar ist, und mit einem dem drehenden Teil (20) der Taumelscheibe zugeordneten Abtastelement (24) für jedes Rotorblatt, welches bei einer Drehung des Rotors eine Kontur einer dem nichtdrehenden Teil (16) der Taumelscheibe zugeordneten, um die Rotorachse verlaufenden geschlossenen Kurvenbahn abtastet und dabei eine Hubbewegung ausführt, welche durch einen am drehenden Teil der Taumelscheibe angelenkten Überlagerungshebel (28) einer Steuerbewegung der Taumelscheibe überlagert wird und in eine Einstellwinkelbewegung des Rotorblatts (6) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Rotormast umschließender, hohlzylinderartiger Kurventräger (42) dem nichtdrehenden Teil (16) der Taumelscheibe zugeordnet ist, der mehrere Kurvenbahnen (42A, 42B, 42C) unterschiedlicher, jedoch jeweils fester Kontur in axial beabstandeten Bereichen an der Außenmantelfläche aufweist, und dass ein Auswahlmittel (44, 46, 50) vorhanden ist zur wahlweisen Zuordnung von jeweils einer Kurvenbahn (42A, 42B, 42C) zu dem Abtastelement (24).
Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurventräger (42) zur Auswahl verschiedener Kurvenbahnen durch Verstellmittel (44, 46, 50) relativ zu dem Abtastelement (24) entlang seiner Zylinderachse axial verschiebbar ist.
Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmittel für die axiale Verschiebung des Kurventrägers einen durch einen Aktuator drehbaren Verstellring (44) mit einem Stift (46) aufweisen, der sowohl in eine zylindrische Nut (48) im nichtdrehenden Teil (16) der Taumelscheibe als auch in eine spiralförmig ansteigende Nut (50) im Kurventräger (42) eingreift.
Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Verstellmittel (52, 54) für die Verdrehung des Kurventrägers (42) relativ zum nichtdrehenden Teil (16) der Taumelscheibe um seine Zylinderachse vorhanden sind, um die Hubbewegung der Abtastelemente der Steuerbewegungen der Taumelscheibe in unterschiedlichen Phasen zu überlagern.
Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmittel für die Verdrehung des Kurventrägers (42) ein drehantreibbares Schneckenrad (52) aufweisen, welches am nichtdrehenden Teil (16) der Taumelscheibe gelagert ist, und das in eine Innenverzahnung (54) des Kurventrägers (42) eingreift.
Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Kurvenbahnen (42A, 42B, 42C) an der Außenmantelfläche des Kurventrägers (42) fließend ineinander übergehen.
Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich zwischen zwei Kurvenbahnen (42A, 42B, 42C) eine kreisringförmige Kurvenbahn angeordnet ist.
Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach einem der vohergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastelement (24) einen auf der Kurvenbahn gleitenden Abtastkopf aufweist.
Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastelement (24) mindestens einen auf der Kurvenbahn wälzenden, drehbaren Wälzkörper aufweist.
Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach einem der vohergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastelement (24) mit einem elastischen Mittel (34) an die Kurvenbahn angefedert ist, so dass es eine Rückstellbewegung selbsttätig ausführt.